Mesmo o melhor sistema de conversão de energia, a eficiência nunca chegará a 100% Uma pequena quantidade de energia de conversão não realizada se transformará em calor, que é o desafio da confiabilidade do sistema Sem gerenciamento térmico eficiente, transistores de potência Um componente gerador de calor, como um resistor, pode superaquecer durante a operação, resultando em uma falha prematura ou, em casos extremos, excedendo sua temperatura nominal máxima, resultando em danos rápidos aos componentes.
Confiabilidade segue a lei de Arrhenius, que incentiva o resfriamento para melhorar a confiabilidade: Reduzir a temperatura de operação de um componente em 10 ° C pode duplicar sua vida.Além disso, medidas são tomadas para garantir uma temperatura de junção mais baixa para aumentar a capacidade de energia. E permite que a fonte de alimentação opere com segurança em uma ampla faixa de temperaturas ambientes.
Uma pequena quantidade de energia elétrica, depois de entrar no transistor de potência, não é transmitida para a carga, mas é dissipada como calor na junção de cada dispositivo.A relação entre a temperatura da junção e o consumo de energia é a seguinte:
Tjmax = (PDmax x Rθja) + Ta
Onde Tjmax é a temperatura de junção PDmax é a potência máxima consumida Rθja é a resistência térmica da junção ao ambiente circundante Ta é a temperatura ambiente
Ao projetar uma fonte de alimentação, o objetivo é projetar a temperatura da junção não apenas para proteger o dispositivo, mas também para garantir a confiabilidade necessária.A curva de eficiência da folha de dados do dispositivo pode ser usada para estimar o consumo máximo de energia, bem como o calor do ambiente circundante. A resistência Rθja pode ser encontrada na curva de folha de dados, que também leva em conta outros efeitos de resfriamento, como metalização de PCB e fluxo de ar.
Quando a energia necessária é fornecida à carga, se a temperatura de junção aceitável não for alcançada, o esforço de projeto deve se concentrar na redução do Rθja Existem várias maneiras técnicas de se conseguir isso, incluindo:
Escolha do pacote: aproveite os aprimoramentos inerentes do pacote, como os grampos mais eficientes termicamente para substituir as conexões de condutor tradicionais ou a área expandida de metalização no lado inferior ou superior do chip ou o resfriamento bilateral em ambos os lados. A área está diretamente conectada ao dissipador de calor ou à placa metálica exposta e pode ser soldada à camada de metalização da PCB ou ao dissipador de calor Design da placa Inclui maior espessura de cobre ou diretamente conectada ao dissipador de calor (por exemplo, metal mais pesado) Adicionando vias térmicas sob o dissipador de calor Se você precisar de dissipação de calor muito alta, considere o isolamento de substratos metálicos Técnicas de gerenciamento térmico mais diretas, como dissipadores de calor ou dissipadores de calor, podem ser usadas com ventiladores de resfriamento.
A questão agora é qual dessas tecnologias pode alcançar os melhores resultados, como tamanho e peso aceitáveis, e impacto mínimo nos custos da lista de materiais (BOM), etc. Embora não haja uma resposta clara, é muito óbvio Soluções térmicas excessivas ou insuficientes têm consequências potenciais desfavoráveis.
Não é viável estudar diferentes designs térmicos construindo vários projetos de protótipos.Por outro lado, se você achar que a solução selecionada não é adequada no final do projeto, redesenhe a placa para adicionar aberturas adicionais ou alternar para outras O tipo de pacote também pode ser impraticável.
Felizmente, agora temos as ferramentas disponíveis para ajudar com o projeto.Este software de simulação térmica ajuda os engenheiros a analisar o comportamento térmico a partir de uma perspectiva do sistema e identificar áreas problemáticas antes de implementar o primeiro protótipo.
Algumas ferramentas on-line de simulação térmica estão disponíveis gratuitamente, e o WebTHERMTM da TI é um exemplo de análise térmica de projetos de energia criados usando o ambiente WEBENCH® on-line, usando controladores selecionados ou CIs de conversores CC / CC, Além dos requisitos de faixa de tensão de entrada e saída de energia, a fonte de alimentação pode ser originalmente projetada como um projeto WEBENCH.
Após a conclusão do projeto básico, a WEBENCH pode estimar a lista de materiais e calcular parâmetros como perda de potência e Rθja, que podem ser usados para calcular manualmente o Tjmax com dados de temperatura ambiente conhecidos. Ele também pode exibir alguns efeitos auxiliares, como o efeito térmico comum de componentes que podem ser difíceis de visualizar.O resultado da simulação é uma curva de temperatura de cor que ajuda a determinar rapidamente a área de interesse.
Ao executar a simulação, o usuário precisa inserir a corrente de carga, a temperatura ambiente superior e inferior e a temperatura do gabinete do dispositivo e outras configurações de parâmetro.A simulação térmica pode ser concluída em poucos minutos e os resultados podem ser analisados graficamente através de uma curva de temperatura de cor. O design pode ser alterado no WEBENCH, e o desempenho térmico pode ser ainda mais otimizado alterando o tamanho da placa ou as características do material de cobre em qualquer camada de PCB, ou adicionando e ajustando as vias térmicas.
As simulações térmicas podem ser executadas várias vezes e os resultados comparados para determinar um design de temperatura aceitável.Se o Tjmax apropriado não puder ser assegurado, funções adicionais de gerenciamento térmico, como dissipadores de calor ou dissipadores de calor, podem ser usadas para acesso mais rápido do sistema. Remova o calor As curvas de temperatura podem ajudar a se concentrar em áreas que exigem atenção.
Adicionar dissipador de calor
Radiador fácil de entender e muito confiável, sem partes móveis, sem modo de falha, sem quaisquer custos operacionais. Radiador materiais como alumínio ou cobre comumente usados, eles podem variar de asa estampado de metal simples para um único transistor, a moagem ou elemento de pressionamento, caracterizado por as aletas são concebidos para interceptar o fluxo de ar para maximizar a transferência de calor por convecção. como o ar quente sobe, a convecção natural irá ocorrer, o que pode persistir fluxo devem ser tomadas medidas para assegurar o gás a partir da entrada para a saída desimpedida fluir, e para assegurar que o radiador está localizado abaixo do nível da entrada de ar e de saída de ar. isto pode ajudar a evitar a estagnação de ar quente sobre o elemento dissipador de calor, a fim de evitar a possibilidade de aumento da temperatura de junção.
Embora o dissipador de calor tem muitas vantagens, mas se você quer alcançar um grande número de dissipação de calor, o volume pode ser muito grande, muito pesado e caro. Radiator fluxo de ar ideal pode afetar a posição do layout da placa de circuito, o radiador pode ser poeira ou sujeira entupimento, afectando, assim, o efeito de arrefecimento. maxilas ou utilizando um parafuso ou uma camada de material de interface térmica (TIM) está devidamente ligada ao conjunto de dissipador de calor, também aumenta o tempo de montagem.
Fabricante Aavid Thermalloy Wakefield-Vette ou semelhante, para proporcionar uma ampla variedade de dissipador de calor, em que o elemento de dissipação de calor compreende optimizado para se adequar a uma determinada componentes de processador ou FPGA, etc. Por outro lado, o radiador pode ser seleccionado de acordo com os resultados, uma vez que o o dissipador de calor pode reduzir o cruzamento de chip para aquecer afundar impedância térmica global do ar ambiente Rθja, é possível alcançar a menor temperatura de junção a um consumo de energia específica.
A Figura 1 mostra um pacote de reforço térmico utilizando um transistor de potência, uma parte superior concebida para arrefecimento eficiente de um dissipador de calor dupla face PCB é montado, o sistema é mostrado como uma junção entre a placa de circuito impresso e o lado inferior e o ambiente em operação resistência térmica Rth rede. Rth representa a resistência térmica do dissipador de calor para transferir calor do dissipador de calor para o nível de eficiência do meio envolvente do substrato.
Estenda a liberdade de design com tubos de calor
Em alguns projetos, devido ao tamanho total, ao layout da placa ou às limitações de impedimento do fluxo de ar, pode não ser adequado conectar diretamente um dissipador de calor a um conversor de IC ou transistor de potência.O dissipador de calor mostrado na Figura 2 pode fornecer Uma alternativa prática que permite que o calor seja transferido da fonte para outro local onde um dissipador de calor adequado possa ser colocado para fornecer maior fluxo de ar para dissipação de calor. O modelo 120231 da Wakefield-Vette pode suportar até 25W Carga térmica, mas seu tamanho é de apenas 6mm de diâmetro × 100mm de comprimento.
Em si não é radiador tubo de calor, mas uma vedação adesiva, utilizando o princípio da fase de transferência de mudança de calor da extremidade quente para a extremidade fria na extremidade quente, e o fluido de trabalho, absorvendo o calor nos tubos do evaporador após o vapor é condensado e flui para a extremidade fria líquido, libertando calor no líquido do processo é, então, retornado à extremidade quente do tubo e o processo repete-se. uma das vantagens do tubo de calor não é necessária energia para manter o mecanismo de mudança de fase, e o projectista pode livremente irradiando tubo A extremidade fria é selecionada na posição mais adequada.
Resfriamento de ar forçado
Se um dissipador de calor ou duto gerenciamento térmico passivo não alcançar a temperatura de junção desejado, considere o uso de alta qualidade Delta Electronics fã fabricantes de ventilação forçada de ar e similares. Ao selecionar o tamanho do ventilador, e para ajustar a velocidade do ventilador, aumentando ou reduzir o fluxo de ar (em pés cúbicos / minuto (CFM)), pode ser optimizado e o efeito de arrefecimento flexível.
conclusão
O gerenciamento térmico adequado é essencial para maximizar o desempenho e a confiabilidade das fontes de alimentação de PCB ou dos conversores DC / DC Os projetistas têm um grande número de ferramentas que podem ser usadas, mas é preciso evitar um excesso de design para evitar um volume excessivo. Custos de BOM altos ou desafios de montagem mais complexos Ferramentas de simulação térmica precisas estão disponíveis gratuitamente e essas ferramentas fornecem um guia visual para enfrentar os desafios de gerenciamento térmico antes de começar a construir hardware, como dissipadores de calor personalizados, dutos de resfriamento ou resfriamento Outras tecnologias, como ventiladores, podem ajudar a superar as limitações do sistema, como layout da placa ou fluxo de ar.